不同变质程度煤介电常数特性

郑学召，赵 炬，张 铎，郭 军

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.国家矿山应急救援西安研究中心，陕西 西安 710054)

0 引 言

近年来，我国煤矿灾害事故时有发生，在一些灾害事故中，由于巷道的坍塌和阻塞，导致救援人员无法进入井下救援，只能采取地面打钻的方式进行救援。在钻孔救援过程中，也有可能出现钻孔打偏或钻孔附近的巷道发生坍塌，因此，需要一种通过穿透煤(岩)体对被困矿工进行精确定位的生命信息探测技术，而目前的大多数钻孔生命探测技术(光学生命信息探测、红外生命信息探测、气体生命信息探测等)不具备穿透性，超宽带电磁波生命信息探测技术具有很强的穿透性[1]，并且具备很高精确性和超强的抗干扰性[2-4]，对煤矿灾害救援具有重大意义。

介电常数是超宽带电磁波在煤(岩)体中传播特性的主要物理参数[5]，研究煤的介电常数可以揭示出超宽带电磁波在煤(岩)体中的传播参数。一般情况下，不同变质程度的煤都具有一定的极化和导电性能[6]，煤的介电性质通常以介电常数来体现，它是描述介质在外电场作用下极化程度的物理量[7]。在交变电场作用下，煤的介电常数εr为复数形式，是指介电常数ε与真空中介电常数ε0的比值，根据文献[8]可知，复介电常数εr分为实部ε′和虚部ε″.

ε0为真空中介电常数，8.85×10-12F/m；ε′为介电常数的实部，代表相对介电常数；文中无特殊说明的介电常数均为相对介电常数；ε″为介电常数的虚部，代表介质的损耗因子。根据文献[9]可知，ε″是指电导率σ与角频率ω.

从以上性质可看出，频率和电导率对介电常数有一定的影响。文中主要针对频率对介电常数的影响进行实验研究。

目前关于煤介电常数的影响因素已经做了大量的研究工作。徐宏武对煤层电性参数进行了实验测试和研究，研究内容为测试频率是在1 MHz和160 MHz下研究不同变质程度、温度、湿度以及测试频率对煤层电性参数的影响[10]；徐龙君对交变电场下白皎煤介电常数进行了实验研究，研究测试频率在2.45 GHz和9.35 GHz下，白皎煤介电常数的变化关系，并且对煤中碳原子摩尔分数、孔隙体积和矿物质等对介电常数的影响进行了深入的研究分析[8]；朱红青对煤介电常数测量技术进行研究，指出了目前煤介电常数测量方法的不足，为今后研究及发展趋势提出了建议和意见[11]；冯秀梅等通过对无烟煤和烟煤在2～18 GHz微波频段范围内介电性质的变化规律进行研究发现，无烟煤的介电常数大于烟煤的介电常数[12]。还有学者讨论发现，随着煤变质程度的增大，煤中自由电子的数量就越多，并且其活动性也越强，它的介电常数就越大[13-15]；Nelson等的研究内容是煤粉介电性质与测试频率的关系，通过研究结果发现，煤粉介电常数随频率的降低而增加[16]。Gi-nutini等对不同煤样的介电常数与温度的变化规律进行了深入地研究[17]，测试频率在0.2～0.4 MHz频段内，温度越高，不同煤样的介电常数越大。目前，关于煤介电常数的研究主要集中在变质程度、水分、灰分和矿物质含量等因素，但其研究对象主要为无烟煤和褐煤，针对其他煤种的介电常数的研究较少，而且研究手段多为固定频率研究，也有一些学者的研究手段是在一定的频率段中，但其频率段没有在超宽带频率范围内，这使得对于煤相对介电常数随变质频率变化的规律研究有一定局限性。

因此，通过实验测试对不同变质程度煤(褐煤、长焰煤、气煤、贫瘦煤和无烟煤)的介电常数进行研究，测试频率是在0.1～1.0 GHz频段范围内，不同变质程度煤的介电常数与频率的变化规律，并且分析煤的工业组分和元素对煤相对介电常数的影响。

1 实 验

1.1 煤样制备

本实验选取5种不同变质程度的煤进行测试，分别为：褐煤(1#)、长焰煤(2#)、气煤(3#)、贫瘦煤(4#)和无烟煤(5#)。首先，将新鲜的煤样破碎后，筛选出直径≤0.074 mm的煤粉；然后称取一定质量的煤粉放入压片机中，将不同变质程度的煤样都制成直经为12.8 mm，厚度为1 mm的圆形薄煤片；最后，把导电银胶均匀地涂在圆形煤样薄片的两侧，等到圆形煤样薄片两层的银胶晾干后开始进行实验测试。

1.2 煤的工业分析和元素分析

将新鲜煤样破碎后筛选出直径≤0.074 mm的煤粉，隔绝氧气保存。煤的工业组分和元素分析采用的实验设备为5E-MAG6700全自动工业分析仪分析，通过该实验设备测定煤样中工业组分：水分(Mad)、灰分(Aad)、挥发分(Vad)、固定碳(FCad)的质量百分数以及测定煤样中的C，H，O，N，S元素含量。1#，2#，3#，4#和5#煤样的工业分析和部分元素分析结果见表1.

表1 煤的工业分析和元素分析数据

1.3 煤样的测试

目前已有的测量方法包括传输反射法、数字电桥法、谐振电路法和微波法等[18-21]。由于交流阻抗测量法具有测量精度高、测量简便等优点，因此，本实验采用的测量方法是交流阻抗测量法，采用测试仪器是E4991A阻抗分析仪。首先，将圆形煤样两层与正负电极接触，通过测试正负电极的电势差和流过煤样的电流，将所得到的电势差除以流过样品间的电流，从而得出样品的相位角和复阻抗[22]；然后通过容抗、感抗以及耗散因子等物理量之间公式的转换关系，从而得出耗散因数、电抗、电容等物理参数；根据文献[9]可知，煤的相对介电常数ε′可表示为

(3)

式中L为圆形薄煤片的厚度，mm；S为圆形薄煤片的截面积，cm2；Cp为并联时的电容，F；Cs为串联时的电容，F；D为耗散因数。

本实验是在西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室进行不同变质程度煤介电常数的测试。煤介电常数的测试实验设备为Concept 80宽带介电谱测试系统，该系统主要仪器E4991A阻抗分析仪，如图1所示。

图1 煤介电常数的测试系统Fig.1 Coal permittivity test system

系统的测试步骤：①开启系统电源，预热系统1 h，待系统测试稳定；②开始运行测试软件，选择HP4991A分析仪；③一切准备好后，进行系统校准；④将1#煤样、2#煤样、3#煤样、4#煤样和5#煤样夹好，开始进行实验，将所得的测试实验结果进行保存。

2 结果分析

通过origin绘制图煤的介电常数与测试频率的关系，结果如图2～6所示。

图2 褐煤的介电常数与测试频率的关系Fig.2 Relation between the permittivity of lignite and test frequency

图3 长焰煤的介电常数与测试频率的关系Fig.3 Relation between the permittivity of long-flame coal and test frequency

图4 气煤的介电常数与测试频率的关系Fig.4 Relation between the permittivity of gas coal and test frequency

图5 贫瘦煤的介电常数与测试频率的关系Fig.5 Relation between the permittivity of lean coal and test frequency

图6 无烟煤的介电常数与测试频率的关系Fig.6 Relation between the permittivity of anthracite and test frequency

从图2～6可以看出，1#，2#，3#，4#和5#煤样的介电常数均随测试频率的增加先减小后增加，并且测试频率在0.3GHz左右，5种不同变质程度煤的介电常数均达到最小，最大为4#(3.70)，依次是1#(3.49)、3#(3.27)、2#(2.99)，最小为5#(2.94)；测试频率在1 GHz左右，5种不同变质程度的煤介电常数值均达到最大，其中4#(3.86)、1#(3.63)、3#(3.40)、2#(3.12)、5#(3.06)；在同一测试频率下，4#煤样的介电常数值最大，随后是1#，3#，2#，5#；5#的变质程度最大，但其介电常数最小。

为了研究煤介电常数与变质程度的变化关系，对煤的工业组分和元素分析进行了深入地研究，由于煤的介电常数受水分、灰分和挥发分等因素影响[23-25]，5种不同变质程度煤的介电常数值差异较大。

水分是煤介电常数的影响因素之一，从表1可以看出，除4#外，煤中水分的含量随煤的变质程度增大而减小，1#，2#水分含量比其他3种煤样高出很多；4#的水分含量最低，但其介电常数最大，这是由于4#本身就存在自由电子可以进行导电，而且4#煤样的孔隙率较小，充填的空气相对其他煤样较少(空气的介电常数小于煤的介电常数)，因此，其介电常数较大[9]；1#的介电常数次之，这是由于1#的水分含量最高，孔隙中的水溶液可以溶解大量的矿物质，形成水溶液离子进行导电。因此，水分对煤的介电常数有很大的影响。

已有研究表明，煤的含碳量越高，介电常数越小[26]，5#的含碳量最大，依次是2#，3#，4#，1#，因此，含碳量是导致5#的介电常数最小的原因之一。1#，3#，2#，5#遵循含碳量越高，介电常数越小的变化规律。

根据文献[23]可知，煤的灰分越高，煤的介电常数越大。1#的灰分最大，而后是4#，3#，2#和5#，结合这5种煤样的介电常数大小关系可得，除4#外(由于其受其他因素的影响，介电常数始终相较于其他煤样最大)，1#，3#，2#，5#遵循灰分含量越高，煤的介电常数越大的变化规律，由此可得，煤的介电常数受灰分的影响。

3 结 论

1)煤相对介电常数随测试频率的增加先减小后增大；测试频率在300 MHz左右介电常数均达到最小，1#为3.49，2#为2.99，3#为3.27，4#为3.70、5#为2.94；测试频率在1.0 GHz左右介电常数达到最大，1#为3.63，2#为3.12，3#为3.40，4#为3.86，5#为3.06.在同一测试频率下，5#的介电常数最小，然后依次为2#，3#，1#，4#.

2)除4#外，1#，3#，2#，5#随着煤灰分含量增加，介电常数增大；并且也遵循煤的含碳量越高，介电常数越小的变化规律；煤中所含的水分、灰分和含碳量都是介电常数的影响因素之一，但不是决定因素的。

3)研究对于超宽带电磁波在煤层中传播的实验频段选择和对井下遇险人员超宽带雷达生命信息钻孔探测具有一定指导意义，为煤矿灾害救援提供了理论依据。